GEC原理说明书.docx
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GEC原理说明书
第一章系统概述
随着经济建设的发展，我国的电力工业正迅速发展。
电力系统的规模日益扩大，发电设备的容量也相应增大，系统的运行方式的变化越来越频繁。
为了更好地保证安全，经济运行并保证电能质量，电力系统运行对自动控制装置提出了更高的要求。
对励磁系统而言，除了要求励磁装置维持发电机电压水平外，还要求它对电力系统动态和暂态稳定起作用。
因此有必要引入如电力系统稳定器，线性最优控制和非线性最优控制等复杂的控制方式以充分发挥励磁控制系统在电力系统中的积极作用。
过去，为了实现这些控制必须靠大量相应的硬件，这使得调节电路非常复杂，实现困难且可靠性低。
近年来，微处理机技术发展迅猛，应用微处理机的自动励磁调节器更好地满足了励磁系统的复杂要求。
GEC系列微机励磁装置是清华大学电机工程系研制的具有自主知识产权的高科技产品，也是目前国内外具有最简单的硬件结构与最丰富的软件功能的工业微机励磁装置。
GEC系列微机励磁装置依据先进的非线性控制理论和采用全数字化的微机控制技术，使产品在改善发电厂和电力系统运行稳定性方面具有明显的优越性，本产品可应用在容量为50MW及以上的水、火电机组中。
GEC系列微机励磁装置已有一百多台套运行在大、中型水、火电机组上，最长运行时间已超过七年，从未发生过失磁和过电压等故障，创下了微机励磁装置新的安全运行记录。
1.1、产品特点
全数字化：
从输入通道的交流采样到控制脉冲的输出全部实现数字化，没有模拟环节，无电位器调整，全数字化大大提高了精度和可靠性，维护十分方便。
控制方式：
有四种控制方式可供选用。
NOEC方式（非线性最优，NonlinearOptimalExcitationControl）
LOEC方式（线性最优控制，LinearOptimalExcitationControl）
PSS方式（电力系统镇定器，PowerSystemStabilizer）
PID方式（比例、积分、微分，ProportionalIntegralDifferential）
方便直观的人机接口：
操作面板上有32个轻触薄膜键及8位LED数码管，可显示16个参数，能非常直观地了解GEC的状态和励磁系统、发电机的状态。
完善的试验功能：
可以在线修改调差率，放大倍数，微分时间常数，惯性时间常数，以及进行±10%的阶跃、灭磁实验。
所有这些修改及实验均只需进行键盘操作即可，不用改接线。
还可以用50Hz变压器代替中频机做开环实验，GEC能自动适应500Hz（400Hz/350Hz）/50Hz励磁功率源的频率。
完备的保护功能：
具有PT断线保护，强励反时限、低励限制、V/F限制、过无功限制、过定子电流限制等，以保证发电机的安全稳定运行。
所有这些保护特征均比模拟装置有很大改善。
试验、故障录波功能：
自动记录故障前4秒，故障后16秒的故障数据，故障数据包括发电机电压、转子电压、控制电压、电流、有功、无功、转速及保护/出错标志。
试验录波功能能自动记录试验过程中的各种波形。
平面彩色显示器PPC：
GEC-II型自并励励磁控制器上配套了一体化的平面彩色显示器，配以全汉化界面、菜单、简化的按键操作，可以做到无需说明手册而操作（NMO:
Non-MenualOperation）。
并可以轻易联网实现全厂自动化。
1.2、可靠性保证
1.2.1、硬件措施
采用全双置，任一通道均满足强行励磁在内的功率的要求。
选用进口开关、电源等器件，并经严格筛选测试；
双套电源并列供电，采用日本电源模块，平均无故障时间40年；
采用工业控制标准的STD总线结构；
输入输出通道双重隔离（电磁隔离与光电隔离）；
可靠的脉冲自封锁电路，防止误强励、误触发；
1.2.2、软件管理
结构化程序设计规范；
单元测试、功能测试和总体联调；
完备的文档管理。
1.2.3、整机测试
绝缘耐压实验/抗干扰试验；
连续拷机试验。
1.3、主要性能指标
可控硅控制角分辨率0.004度/码
A/D转换量分辨率2-12
A/D转换速率100K/S
调压范围5%-130%
调压精度＜0.5%
移相范围10-150度（根据要求而定）
附加调差正负30%内任选，极差1%
阶跃特性10%阶跃超调量小于20%，振荡次数小于2次，调整时间小于10秒
电源适应性当供电电源在-30%，+50%范围内波动时装置可以可靠运行
功率消耗小于300W
1.4、型号说明
GEC-I型：
适用于100MW及其以上的三机励磁系统
GEC-IA型：
GEC-I的改进型、采用了进口开关及进口电源模块
GEC-ID型：
适用于带有直流励磁机的间接自励系统
GEC-IK型：
适用于带有直流励磁机的IGBT开关式励磁调节器
GEC-II型：
适用于水、火电机组的自并励系统，基本型
GEC-IIA型：
适用于自并励，带PPC平板显示器
GEC-IID型：
适用于自并励，带数字信号处理器DSP加速板
1.5、典型应用
自1993年底第一台GEC系列微机非线性励磁装置在丰满发电厂10#机组自励励磁系统投入运行以来，至今已有近一百多台机组应用了GEC系列励磁调节装置，在内蒙、河南、东北、山西、浙江、河北、贵州和广东等电力系统投入运行。
另一批电厂还在洽谈新机励磁配套及老机励磁系统改造事宜。
由于GEC系列微机励磁系统的优异性能及至今的无故障安全运行，深得用户的欢迎。
为此本产品曾获得东北电管局科技进步一等奖、电力部科技进步三等奖。
其中值得一提的是在1994年底在内蒙海勃湾电厂火电机组投入了非线性励磁调节器，投运后曾先后避免了两次内蒙西部电网稳定破坏事故，取得了良好的运行实践经验。
在1998年11月，张家口发电厂2300MW发电机组利用事故停机的机会，在48小时内完成了旧励磁控制器的拆解，GEC系列调节器的安装、调试、并网投入运行，深得现场工作人员的好评。
同时，采用GEC系列非线性励磁调节器的励磁控制系统对改善电力系统的静态稳定、暂态稳定、电压稳定及抑制各种功率振荡方面具有良好的性能，这是现有其它励磁调节器所不能比拟的。
附表中列出了GEC系列励磁装置应用业绩实例。
1.5.1、静止式自励励磁系统（GEC-II）
对于新建的大中型汽轮发电机组，自并励励磁系统是一种良好的选择。
因为这种励磁方式具有可以降低厂房造价、减少机组轴系长度、简化励磁系统接线等优点。
此外自并励励磁系统为固有高起始响应系统，具有快速响应的性能。
自并励励磁系统的典型接线如下图所示。
由本公司供货的广东粤连电厂、赤峰电厂成套励磁装置采用了如图1所示的自励励磁方式。
1.5.2、三机励磁系统（GEC-IA）
对于具有主、副励磁机的它励静止二极管励磁系统，简称三机励磁系统，如下图所示。
在我国火电机组中，三机励磁系统是一种应用较广泛的励磁方式。
对早期产品，励磁调节器为电磁式结构，惯性时间常数较大，其后改用分立组件的模拟式励磁调节器，但由于功能模块数量过多，给调试及维护带来诸多不便。
基于上述情况，本公司励磁部对100MW及以上容量级的三机励磁系统进行了研究，并完成了以GEC系列微机励磁调节器为基础的，适用于三机励磁系统的方案。
如图2所示。
现已有多台励磁调节器投入运行,其中包括海勃湾电厂1#、2#,沙角A厂2#、3#机组等三机励磁系统。
1.5.3、具有直流励磁机的间接自励系统（GEC-ID）
对于具有直流励磁机的水、火电机组,传统上采用电磁型相补偿式励磁调节器,由于运行多年,设备有待更新.另外,依据现代电力系统运行的要求,励磁系统应具有较高的励磁电压响应比.针对这一要求,本公司推出了GEC-ID系列间接自励系统,如下图所示.
间接自励系统的优点是在保留原有设备的基础上,利用自励励磁系统快速性的特点,改善了励磁系统的性能.由于原有的直流励磁机具有功率放大的作用,为此作为自励系统电源的励磁变压器ET其容量是较小的.当直流励磁机具有副励磁机时,亦可采用由副励磁机及间接自励系统复合供给主励磁机励磁的方式.如图所示.
本公司曾为丰满电厂、大同一电厂等提供了间接自励系统。
在间接自励系统中,亦可取消直流副励磁机，单独由励磁变压器ET供电的方案。
1.5.4、晶体开关管式微机励磁系统（GEC-IK）
作为晶体开关管的电力元件原采用巨型晶体管GTR（GiantTransistor）以及功率场效应管（MOS-Power）、目前则采用性能更加优越的绝缘栅双极型大功率晶体管IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor）作为开关管元件用。
开关管式调节器结构简单、易于维护，可用于直流励磁机励磁系统。
如图所示。
1.6、产品的选用与合作
结合我公司近年来与国内各网局、电力试验研究所，水、火电厂以及制造厂的合作经验，在产品选用方面建议采用以下合作方式。
1.6.1先期立项论证，可与用户共同编制选型或改造的先期论证、可行性分析报告，以推动立项的目标。
1.6.2实际考察及技术咨询
1.6.3共同举办地区性的励磁专题研讨班，以加深对现代励磁控制技术的了解和推动励磁改造及应用的力度。
这种方式在广东地区取得了良好的效果。
1.6.4鉴定新机励磁配套及老机励磁系统的改造合同
1.6.5设备出厂试验的验收及人员的培训
1.6.6为加强产品的售后服务，可与应用本产品较多的地区电力试验研究所合作，建立地区产品调试及技术服务中心，有关人员的先期培训由我公司负责进行。
1.6.7其它双方认为合适的合作方式
为便于用户了解本产品的技术性能及最新产品的开发情况，除欢迎用户来北京清华大学参观考察，亦欢迎来函索取相关技术资料以及对有关问题的咨询。
第二章励磁控制原理
2.1、励磁系统
同步电机的励磁系统是同步发电机的重要组成部分，它是供给同步发电机励磁电源的一套系统。
励磁系统一般由两部分组成：
一部分用于向发电机的磁场绕组提供直流电流，以建立直流磁场，通常称作励磁功率输出部分（或称功率单元）；另一部分用于在正常运行或发生故障时调节励磁电流，以满足安全运行的需要，通常称作励磁控制部分（或称控制单元,或统称励磁调节器）。
励磁控制是一种控制系统，它控制同步发电机发出的电势，所以它不仅控制发电机的端电压，而且还控制发电机的无功功率，功率因素和电流等参量。
由于大型机组的这些参量直接影响系统的运行状态，因此在某种程度上也可以说，励磁控制器也控制着系统的运行状态，特别是系统的稳定和励磁控制方式密切相关。
上图为他励静止硅整流器励磁系统的原理接线图。
发电机G1的励磁电流由交流励磁机G2经硅整流装置D1整流后通过滑环引入，交流励磁机的励磁电流则由交流副励磁机G3经可控硅整流装置SCR整流后供给。
励磁控制器随发电机运行工况的变化而改变可控硅的控制角α，以改变交流励磁机的励磁电流和端电压，从而起到调节发电机G1励磁电流的作用。
2.2、励磁控制的作用
A.在稳态运行时1.保持发电机在运行中电压的恒定.
2.在并列运行时,调节无功功率的分配.
3.提高静稳极限和输电线路和传输能力.
B.在暂态过程中（大干扰时）
1.抑制切负荷时的电压升高.
2.提高暂态稳定性.
2.3、励磁反馈控制
励磁反馈控制是通过以下过程来实现的：
首先励磁控制器检测PT的信号从而获知发电机的机端电压Ut，然后将Ut与参考（给定）电压Ur相比较得电压差（Ur-Ut）,该电压差（Ur-Ut）经综合放大环节后得到控制电压Uc。
若是最简单的比例调节，那么控制电压Uc与电压差（Ur-Ut）有以下的关系式（不考虑调差）：
上式中K为放大倍数。
控制电压Uc经过移相触发环节后得到可控硅（SCR）的触发角α，从而控制励磁机的励磁电压Uff，使发电机运行在稳定状态。
在GEC中，信号的检测、综合放大、移相触发都是通过软件算法实现的。
Uc与α、Uff有以下关系：
因为三相全控整流桥有以下关系：
所以
式中Uff0为励磁机空载励磁电压，Uz为副励磁机输出电压，即SCR的阳极电压。
励磁反馈控制原理
如果由于扰动使发电机机端电压Ut上升一个小的值，那么电压差（Ur-Ut）将减少，经综合放大环节后得到控制电压Uc也将减少，使得α增大，经可控硅流后使得励磁机的励磁电压Uff减少，发电机的转子电压Uf也随之减少，使得发电机的机端电压Ut下降，从而抵消了发电机的机端电压Ut上升的扰动。
由此励磁反馈控制可以维持发电机的机端电压Ut的恒定。
如果由于扰动使得发电机的机端电压Ut下降一个小的值，那么类似以上分析一样能得到相同的结论。
2.4、励磁控制器的构成
无论是何种励磁控制器，其核心部分的构成都是很相似的。
它由基本控制和辅助控制两大部分组成。
基本控制由测量比较、综合放大和移相触发三个主要单元构成，实现电压调节和无功功率分配等基本调节功能。
辅助控制是为了满足发电机不同工况，改善电力系统稳定性，改善励磁控制系统动态性能而设置的单元，包括励磁系统稳定器，电力系统稳定器及励磁限制、保护器等。
测量比较单元的作用是测量发电机的机端电压，综合无功调差信号后与给定的基准电压相比较，得出电压的偏差信号，供后级环节使用。
测量比较电路应具有足够高的灵敏度与优良的动态性能，即要求测量精确、反应迅速、电路的时间常数要小。
测量比较单元的性能如何将直接影响到发电机电压调节精度与励磁系统的动态性能。
综合放大单元对测量单元输出的电压偏差信号起综合和放大的作用。
为了得到调节系统良好的静态和动态性能，除了由电压测量比较单元来的电压偏差信号外，有时还根据要求综合来自其他装置的信号，如励磁系统稳定器信号，最大、最小励磁限制信号等。
放大的作用是为了消除电压的静态偏差，改善励磁系统的动态性能。
综合放大后的控制信号输出到移相触发单元。
移相触发单元包括同步、移相、脉冲形成及放大环节。
移相触发环节根据输入控制信号（Uc）的大小，改变输送到晶闸管的脉冲触发角
，以控制晶闸管整流电路的输出，从而调节发电机的励磁电流。
为了使触发脉冲能可靠地工作，还需采用脉冲放大环节。
移相触发单元和整流桥相当于信号转换、功率放大及控制器的执行机构。
对于半导体励磁调节器，即通常所说的模拟式励磁调节器，以上三个基本单元都是用模拟电路构成的。
比如测量比较单元是由多相测量变压器，整流滤波电路和比较整定等环节组成，综合放大和移相触发单元也是由运放、电阻电容、三极管等半导体器件构成。
对于微机励磁调节器而言，其大部分功能都软件化了，即由软件实现。
从硬件角度看，微机励磁系统即是由微机控制器和受控对象（发电机）构成的微机工控系统。
就一般而言，微机工控系统由受控对象，传感器，执行机构和工业控制计算机四个基本部分构成，如下图。
传感器的作用是感知受控对象的状态，并将之转换成微处理机易于处理的电信号；工业控制计算机是工控系统的核心，完成信号的采集，控制策略的计算及送出相应的控制量；执行机构完成信号的转换及功率放大，以作用受控对象，改变受控对象的固有特性，以满足各种性能指标的要求。
电压互感器、电流互感器CT及相应的变换、隔离电路即是微机励磁的传感器部分，而脉冲放大、晶闸管整流电路则是执行单元。
由于微机励磁大部分功能均由软件实现，微机励磁调节器与模拟式励磁调节器相比较具有以下优点：
（1）结构简单、软件丰富、功能多、性能好、运行操作方便。
（2）参数可在线整定，且不随时间而产生偏差、漂移，调试、维护简单。
（3）灵活性大，针对不同的励磁系统，可只修改软件即能适用。
（4）可实现复杂的控制规律运算而不增加结构的复杂性。
（5）可以与上位机及电厂调度自动化联网。
2.5、交流采样技术
交流采样技术、脉冲直接形成技术以及先进的控制策略，是微机励磁实现的关键性技术，也是评价一种微机励磁性能的重要标准（数字化程度）。
以下分三个部分对此作一简要介绍。
微机励磁调节器对发电机的机端电压UF，定子电流IF，有功功率Pe，无功功率Qe，转子电流Ifd等电量的测量有两种方案可供选择：
采用模拟变量变送器的直流采样和直接交流采样。
电量变送器（传感器）输出的直流量与其输入电量成比例，经A/D转换接口电路读入主机的数值直接反映了被测变量之值。
这种方法容易实现，因而早期的微机励磁多采用这种方案。
变送器把交流电量转换成直流量时往往需要滤波电路，从调节器的响应速度考虑，变送器的时间常数应尽可能小，但同时仍要保证足够的精度，这是直流采样要面对的困难之一。
另外，电量变送器归根结底也是一种模拟电路，对该电路的调整、维护也是较繁琐的工作。
交流采样技术由于省略了电量变送器，减少硬件环节，提高了可靠性，并且可以较好地解决精度与速度的矛盾，因此近几年在电力监测、控制、包括微机励磁中得到广泛应用。
交流采样技术依据以下原理：
对于周期为T的周期信号u（t）=u（t+T），在一个周期内对该信号等间隔均匀采样N点，得到N个采样点的电压值u0，u1，…，uN-1，根据不同的算法，微机可以计算得该信号的个特征量，比如有效值、平均值、最大最小值、功率谱等。
比如计算u（t）的有效值U可以用以下方法算得：
对交流电压信号u（t）及电流信号i（t），在一个周期内采样N点得到电压序列u0，u1，…，uN-1及电流序列i0，i1，…，iN-1，可以用以下方法计算得有功功率：
另外，对于周期信号，也可以用富氏算法得到各次谐波的实部和虚部，从而计算得该次谐波的有效值。
在继电保护中应用较为普遍的12点富氏算法（N=12）可以用下式表示：
其中UR，UI分别为电压基波分量的实部与虚部。
对于微机励磁而言，因要求采样精度较高，每周波的采样点N一般大于、等于16点，A/D转换器的分辨率要求为12位。
2.6、脉冲直接形成技术
一般的微机励磁都是用定时计数器（如8253或CTC）芯片来实现同步信号的周期T的测量以及产生6相脉冲去触发晶闸管，这一般需要一块至少包含7个定时器的专用脉冲产生板，不仅硬件电路复杂，而且占用CPU的很多时间（中断），导致脉冲形成不可靠，往往还需加脉冲监视电路来监视。
现在最新的微处理已具有测频及脉冲产生的接口，比如Intel公司的MCS-96/MCS196系列微处理器，德州仪器公司TI的TMS320F240专用数字信号处理器等，应用了这些芯片后可以直接用CPU测频产生脉冲、不需外加任何附件、且编程简单、不占用CPU的时间，且脉冲形成非常可靠。
这种技术称为无粘合脉冲接口，或者称为脉冲直接形成技术。
GEC系列微机励磁控制器就采用这种脉冲直接形成技术。
GEC系列微机励磁控制器采用的是美国Intel公司MCS-96/196嵌入式微处理器，该处理器有专用的高速输入单元（HSI）和高速输出单元（HSO）来处理脉冲的测量以及脉冲的产生。
GEC用了一个HIS用于测量同步信号的周期T，用了6个HSO口分别产生+A，-C，+B，-A，+C，-B六相脉冲。
同步信号经滤波整形形成方波后送入HSI口，HSI能够自动地记录下每个上升沿（或下降沿）的时刻，如下图所示。
比如当前的上升沿时刻为T2，前一上升沿时刻为T1，则同步信号的周期则为T=T2－T1，此周期应对应于3600的脉冲。
假设此时计算机要发出控制角为
，则应该相对于过零点时刻（T1或T2）延时
后发出+A脉冲，再延迟600相对应的时间T60后发-C，再延迟T60后发出+B，……，如此类推。
计算机只需设定每个脉冲产生的时刻即可。
设定时刻一到，HSO部件自动产生所需脉冲，无需CPU干预，CPU可以执行正常流程。
这种的脉冲产生方式非常简单自然，硬件、软件均很简单，产生的脉冲可靠性高。
，
2.7、励磁控制规律
比例—积分—微分（PID）控制是依据古典控制理论的频域法进行设计的，该设计方法成熟可靠，并有大量的应用经验，对于改善发电机的电压静态、动态性能，PID控制规律完全可以满足要求。
但若要同时改善电力系统的低频振荡、提高电力系统静态、暂态稳定性，则必须依赖于更先进的控制规律。
PID控制的传递函数如下：
比例系数（放大倍数）KP主要是为了提高控制系统的响应速度，减少静态偏差。
T1是微分常数，T1与T2构成了不完全微分，微分的作用主要是改善控制系统的动态性能，比如减少超调量、减少振荡次数等。
Ti是积分时间常数，积分的作用主要是消除静态误差。
2.7.1、单参量辅助控制PSS
60年代，随着美国电力系统的发展，特别是发电机快速励磁（自并励方式）的广泛采用，工程控制论中的一对最基本的矛盾—控制系统的灵敏性与稳定性的矛盾便日益明显地显露出来。
美国一些电网产生了多起“低频振荡”（LFO,lowfrequencyOscillations）。
这种LFO现象从物理观念上可归为“欠阻尼”问题。
约30年前（1969年）美国F.deMello等人提出了可用辅助励磁控制（SEC，SupplementaryexcitationControl）来提高系统阻尼，并给出了辅助励磁控制通道的具体传递函数为[1]：
此处，
是辅助控制环节的输出，
是转速偏差；上式中T1>T2。
由于转速
的导数近似地与发电机有功功率
成正比，故上式中的反馈量
亦可换成
，当然传递函数亦应作相应改变。
以上这种单参量（
或
）辅助控制环节一般被称为PSS（PowerSystemStabilizer）。
从那以后北美大多机组都装上了“PSS”。
随后其他国家和我国也不同程度地引用这项技术。
国际励磁控制界权威学者，加拿大温哥华B.C大学终身教授Y.N.Yu（余耀南），对PSS作过精细深透的研究，发展了deMello等人的方法，提出了一整套算法和设计方法，其成果载于他的“ElectricPowerSystemDynamics”（电力系统动力学）这本名著中。
虽然不少学者在按单机系统模型设计的PSS在多机系统如何协调问题上想了不少办法，但仍然存在着如上述著作在第3和第4章中所指出的问题：
1）尽管北美大多数电厂装有PSS，但LFO现象仍然有发生；2）由于其设计方法本质上是单机单参量的相位补偿法，故其所适应的系统振荡频带相当狭窄。
2.7.2、线性最优励磁控制LOEC
在70年代和80年代期间，当电力系统机组容量较小，负荷增长较快，而电力网络的建设还落后于线路传输容量的增长速度，即电网结构较薄弱时，电力系统小干扰问题就显得较突出。
电网中经常出现各种频率的小功率振荡。
电力线路传输功率极限主要受静态稳定极限的约束。
因此在当时的电力系统发展背景下，研究电力系统小干扰稳定控制理论与方法解决电力系统小干扰稳定性控制，抑制各种频率的小功率振荡已成为电力系统安全控制中的重要研究课题。
开展这一领域的研究是在以下几个假设条件下进行的：
①假设电力网络结构和参数不变；②假设负荷动力群动态模型可用恒定阻抗特性代替；③假设将在某一平衡点处台劳线性化并忽略二次以上高次项。
在以上假设条件下，研究电力系统的小干扰稳定控制可归结为研究MIMO线性系统的最优控制问题，即：
（2）
设计上述系统的控制器时，若选择二次型性能指数，
（3）
则由LQR方法即可得到最优控制解为
（4）
其中P为代数Riccati方程的解。
该理论应用于励磁方面可得到以下的线性最优励磁控制规律：
（5）
从上面的解可以看出，电力系统小干扰稳定控制问题的解为系统全状态变量的定常反馈。
但由于电力系统中众多控制设备在地理位置上是高度分散的，在各种控制设备之间进行实时状态信息传输是极其困难的，因此实现电力系统小干扰稳定最优控制几乎是不可能的。
这种在实际系统中所遇到的困难进一步促进了电力系统小干扰稳定控制理论研究的发展，用时域分析方法提出了若干种电力系统次最优分散控制
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